Matematické Fórum

Tak zrovna, jak jsem to dopsal, mě napadlo, ře to může být nábojovou neutralitou XD. Když nad tím přemýšlím, nemělo by to v takovým případě fungovat podobně jako kondenzátor? Tj. že ten čistý polovodič v obvodu se bude teda nabíjet záporně, jedna kovová část zase kladně, jak se el. budou sunout obvodem dál, napětí mezi ní a polovodičem se bude postupně vyrovnávat s napětím zdroje atd.?

Taky mě ještě zajímá ten polovodič typu P. Hlavním nosičem náboje jsou v něm díry, ale ve skutečnosti je to zase jen pohyb elektronů. A ty elektrony se v něm můžou, pokud vím, pohybovat i volně jako minoritní nosiče, když se třeba zvýší teplota. Takže když tenhle zapojím do obvodu, budou se elektrony vždycky přednostně pohybovat přeskoky mezi děrami, než volně v krystalu? A jestli jo, tak kvůli energii?

gestapák napsal(a):

Takže když tenhle zapojím do obvodu, budou se elektrony vždycky přednostně pohybovat přeskoky mezi děrami, než volně v krystalu? A jestli jo, tak kvůli energii?

Především kvůli tomu, že těch děr je mnohem více.

gestapák napsal(a):

Taky mě ještě zajímá ten polovodič typu P. Hlavním nosičem náboje jsou v něm díry, ale ve skutečnosti je to zase jen pohyb elektronů. A ty elektrony se v něm můžou, pokud vím, pohybovat i volně jako minoritní nosiče, když se třeba zvýší teplota.

Je samozřejmě pravda, že pohyb děr je "virtuální", a ve skutečnosti jsou to přeskoky elektronů, nicméně v důsledku se P-polovodič chová tak, jako by se v něm pohybovaly kladné nosiče. Lze to ukázat například na Hallově jevu - když polovodič umístíme do magnetického pole a necháme jím procházet proud, tak se na bocích tvoří napětí - protože magnetické pole vychyluje dráhy těch částic, co se pohybují. A z polarity toho napětí lze poznat, jestli ty pohybující-se částice mají kladný nebo záporný náboj.

A světe div se, P-polovodič dává opačnou polaritu Hallova napětí než N-polovodič. Přesně jako kdyby se tam pohybovaly kladné částice.

Kvantová mechanika nazývá takovéto "věci" jako tzv. kvazi-částice. Vyskytují se samozřejmě jen v nějaké látce, a jsou spíše takové "strukturální povahy", samostatně existovat nemohou. Jejich chování (kvantové) je však stejné jako chování klasických částic.

Existují i jiné kvazi-částice, než jen díry v polovodiči. Kvazi částice může být třeba přetočení spinu elektronu. V supravodičích tvoří kvazi-částici pár elektronů, a ty interagují pomocí kvazi-částic fononů.

A určitě existují i další.

Ta kvazi-částice zvaná díra (v polovodiči) má třeba i svoji hmotnost, říká se jí "efektivní hmotnost". A mmch, svoji efektivní hmotnost má i elektron u N-polovodiče a jeho efektivní hmotnost není úplně stejná jako hmotnost volného elektronu.

Co má hmotnost, má i setrvačnost. Takže i díra, pokud se jednou dá do pohybu, udržuje si svoji konstantní rychlost (pokud nenarazí do chyby v krystalové mřížce polovodiče). Což je ovšem zcela neintuitivní věc, pokud na to koukáme z představy, že pohyb díry je tvořený postupným přeskakováním elektronů v opačném směru - proč by ty přeskakující elektrony měly mít nějakou "zpětnou setrvačnost" ? Nicméně z kvantové mechaniky lze ukázat, že to tak funguje.

Takže díry je lepší chápat jako kladně nabité "skoro-částice" než elektrony přeskakující opačným směrem - dopustíme se tak méně omylů v našich úvahách.

Dále je třeba mít na paměti, že jak díry v P-polovodiči, tak elektrony v N-polovodiči mají svůj náboj kompenzovaný opačným nábojem v krystalové mřížce toho polovodiče.

MichalAld napsal(a):

gestapák napsal(a):

Tak zrovna, jak jsem to dopsal, mě napadlo, ře to může být nábojovou neutralitou XD. Když nad tím přemýšlím, nemělo by to v takovým případě fungovat podobně jako kondenzátor? Tj. že ten čistý polovodič v obvodu se bude teda nabíjet záporně, jedna kovová část zase kladně, jak se el. budou sunout obvodem dál, napětí mezi ní a polovodičem se bude postupně vyrovnávat s napětím zdroje atd.?

Tohle já nevím...

MichalAld napsal(a):

gestapák napsal(a):

Takže když tenhle zapojím do obvodu, budou se elektrony vždycky přednostně pohybovat přeskoky mezi děrami, než volně v krystalu? A jestli jo, tak kvůli energii?

Především kvůli tomu, že těch děr je mnohem více.

Jakože minoritních nosičů je mnohem míň než majoritních? To je mi jasný (taky  to ale závisí třeba na teplotě, ne?). Myslel jsem to ale tak, že když el. vnikají do krystalu třeba z kovu v obvodu, tak asi mají tendenci "vyhledávat" díry a zapadat do nich (ty díry se taky pohybují k tomu vodiči) s tím, že i kdyby ne, tak celkový náboj zůstane neutrální.

MichalAld napsal(a):

A světe div se, P-polovodič dává opačnou polaritu Hallova napětí než N-polovodič. Přesně jako kdyby se tam pohybovaly kladné částice.

No to se divím.




V návaznosti na to bych rád, aby mi někdo trochu podroběji (ale co nejjednodušeji) vysvětlil, jaké děje probíhají v diodě při propustném a závěrném napětí. Slyšel jsem totiž v zásadě dva výklady a nevím, co z toho. Máme teda diodu, ve které je přechod. Přitom hlavní poloviny krystalu mají konstatní potenciál ve svém objemu, který se prudce mění jen v hradlové vrstvě (to mi přijde důležitý zdůraznit, protože u některých výkladů to vypadá, jako kdyby byly nabité jen části těch krystalů) - obr. 1

  obr. 1     obr. 2

Teď vezmu třeba závěrné napětí. Slyšel jsem, že při přiložení elektrod se majoritní nosiče POSUNOU k elektrodám, a tak se rozšíří hradlová vrstva. Jenomže to by podle mě vedlo ke složitějšímu průběhu pole podél diody - obr. 2 - žluté šipky. Přijde mi rozumější představa, kterou jsem taky slyšel (nebo tak pochopil), že ten obvod odsaje elektrony ze strany N (levá) na stanu P (pravá), to rekombinuje a náboj (a tím i potenciál) obou stran se ještě zvětší vzhledem ke svému znaménku. Tak je potenciál obou hlavních částí krystalu v jejich objemech opět konstantní až na hradlovou vrstvu, která je asi větší, a potenciálová bariéra je taky větší. Jenomže při propustném napětí je problém, že by při této představě muselo el. pole asi nějak "vyrvat" elektrony z kovalentních vazeb v části P, aby tak vznikly nové díry a zmenšil se záporný náboj (neuvažuju přitom generaci nabitých párů, která by měla být velmi malá) a odvést je na druhou stranu, což nevím, jestli je možné. Tak by se potenciálový rozdíl zmenšil/zaniknul. Můžete mi to trochu rozebrat? Taky je otázka, jestli je pro úplnost úvahy nutné uvažovat taky přechody na rozhraní diody a vodičů.

(Já si tady likviduju klávesnici a zase mi utekly zprávy kur**).

MichalAld napsal(a):

Tohle můžeš v klidu pustit z hlavy, k ničemu takovému tam nedochází.

Fajn. V klidu vypuštěno.

MichalAld napsal(a):

Jinak mi žádná z tvých představ nepřipadá příliš korektní, a vlastně mi přijdou spíš nesrozumitelné (a skoro bych řekl nedávající smysl).

To nejsou MOJE představy. To jsou výklady, na jaké jsem narazil, třeba v různých videích atd. Přesněji to, jak jsem je pochopil, a plynou mi z nich právě ty smysl nedávající důsledky. Proto se tady na to všechno ptám...

MichalAld napsal(a):

První věc je, že ty vůbec nerozlišuješ elektrony (a díry) a elektrický náboj, jež se někde vyskytuje.

V těch částech polovodiče, kde jsou ty díry, nebo volné elektrony, tam právě žádný náboj není (protože náboj elekronů/děr je přesně kompenzován opačným nábojem v krystalové mřížce).

Naproti tomu, pokud budou někde elektrony či díry chybět, bude tam náboj (a tedy i elektrické pole.

To nastává právě na tom přechodu a v jeho blízkém okolí. Vlivem svého tepelného pohybu se elektrony snaží pronikat do oblasti P, a díry zase do oblasti N. Ony tam sice časem zrekombinují, ale to vlastně není podstatné. Důležité je to, že náboj elektronů, jež proniknou za přechod do oblasti P, už není kompenzovaný opačným nábojem v krystalové mříži toho P polovodiče. Stejně tak náboj děr, co proniknou do oblasti N, není dále kompenzován. Výsledkem je, že v oblasti kolem přechodu se vytváří nevykompenzovaný náboj, jež nám vytvoří elektrické pole - a tím pádem rozdíl potenciálů mezi polovodičem P a N. A rozdíl potenciálů - to je prostě napětí. A toto napětí závisí na teplotě - podle Boltzmanova zákona.

Tak vždyť o tom jsem přesně psal XD. Rozlišuju to perfektně, nemusíš mít obavy. Říkám, že máme DIODU, takže elektrony z N a díry z P difundují přes rozhraní, anihilují, a tím vznikne nerovnováha nábojů => oblast N se nabije torchu kladně, oblast P trochu záporně. Já tohle chápu. A ve Feynmannovi (3. díl)  se zcela jasně píše, že potenciál těch nabitých "půlek" je až velmi těsně k přechodu všude stejný a jsou tam i nakresleny grafy toho potenciálu, jak padá jen na přechodu.

MichalAld napsal(a):

Cesta k pochopení funkce PN přechodu vede právě přes tadyto el.pole, co vzniká na přechodu, a co nám elektrony a díry "tahá zpět".

Já chápu, jak funguje přechod. To je ta úvodní část, která odkazuje na obr. 1. Ta otázka se týka právě situace, kdy přiložímě vnější napětí.

MichalAld napsal(a):

Přiloženýn vnějším napětím toto pole buď zesílíme (závěrný směr), nebo potlačíme (propustný směr).

Super, jsme u toho :D! Na to se tady celou dobu ptám. Ptal jsem se tedy na to, co KONKRÉTNĚ se děje při přiložení napětí různé polarity. Protože říct jenom to, že pole zesílí, nebo zeslabí, je málo, protože intenzita pole se nemůže měnit jenom tak, ta se musí měnit přesunováním/dodáváním náboje, čili elektronů a děr (protže ionty příměsí se pohybovat nemůžou).

MichalAld napsal(a):

Minoritními nosiči bych se pro začátek nezabýval. Jejich koncentrace je (ve srovnání s těmi majoritními) extrémně malá, a nemají skoro na nic vliv - tj. mají vliv na velikost proudu v závěrném směru, ale to je myslím tak všechno.

gestapák napsal(a):

(neuvažuju přitom generaci nabitých párů, která by měla být velmi malá)

To "neuvažuju" znamená, že.......neuvažuju?

gestapák napsal(a):

MichalAld napsal(a):

Přiloženýn vnějším napětím toto pole buď zesílíme (závěrný směr), nebo potlačíme (propustný směr).

Super, jsme u toho :D! Na to se tady celou dobu ptám. Ptal jsem se tedy na to, co KONKRÉTNĚ se děje při přiložení napětí různé polarity. Protože říct jenom to, že pole zesílí, nebo zeslabí, je málo, protože intenzita pole se nemůže měnit jenom tak, ta se musí měnit přesunováním/dodáváním náboje, čili elektronů a děr (protže ionty příměsí se pohybovat nemůžou).

Však přitečou, nebo odtečou (ty elektrony/díry), když tam připojíš vnější napětí.

Můžeš si klidně představit, že tam to napětí nepřivádíš kovovými dráty, ale zase P a N polovodiči - tj že přivádíš /odvádíš přímo ty elektrony/díry.

Pokud přivedeš takové napětí, že se pole na PN přechodu zvyšuje, neděje se nic zvláštního.

Pokud přivádíš napětí opačné, takové, že se pole PN přechodu snižuje, no ... nejlepší je představit si znova podrobně, co se na přechodu vlastně děje bez napětí.

Tepelný pohyb částic (difuse) nám vytváří makroskopický proud jedním směrem - jenže tím přenášíme ten náboj, a ten nám vytváří el. pole. Tohle pole nám pohybuje částicemi opačným směrem. Takže nám tam vlastně tečou dva proudy - jeden poháněný tepelnou difusí, druhý elektrickým polem. V rovnovážném stavu jsou si rovny a celkově tam nic neteče.

Pokud ovšem přiložíme vnější napětí, elektrické pole tím trochu snížíme, a difuzní proud bude větší než ten "zpětný" poháněný el. polem. A začne nám protékat proud.

OK - tahle představa funguje jen pro malá napětí (menších než těch 0.7V, co na PN přechodu vzniká bez vnějšího napětí).

Nevím, jestli na tohle mám nějak reagovat, bylo to skryté...

Takže se zase vracíme k tomu, co jsem už napsal výše (zůstávám u těch drátů): máme diodu, kde je oblast N trochu kladná a oblast P trochu záporná. Přiložím závěrné napětí (které je větší než napětí na přechodu),

Ten předpoklad není nutný ani podstatný. Je úplně jedno, jaké napětí v závěrném směru přiložíme (do nějaké hranice, pak nastane průraz - ale tím bych se na začátku nezabýval)

čili kladnou elektrodu k N a zápornou k P. To způsobí přísun většího kladného náboje do N a většího záporného do P. A stane se to tak, že některé elektrony kvůli napětí zdroje odtečou z oblasti N přes zdroj, tak se sníží množství záporného náboje v části N a ta se tak nabije více kladně.

Ano, jen je třeba mít na paměti, že to "kladné nabití" se zrealizuje jen v blíkosti toho přechodu, zbytek zůstane elektricky neutrální. Kladný náboj tam dorazí z P-oblasti, přitečou tam díry. Sice v N-oblasti hned zrekombinují, ale to už na věci nic nemění, rekombinací náboj nezanikne. Prostě jen zmizí ty N-elektrony, ale zůstane kladný náboj krystalové mřížky.

Ty elektrony dorazí do oblasti P, kde anihilují s děrami, náboje se anulují,

Už to vidím, tohle je celý ten problém - náboje se neanulují. Navíc - neříká se "anihilují", to se týká částic a anti-částic. Říká se "rekombinují".

On je rozdíl, jestli rekombinují elektrony a díry vzniklé ve vlastním polovodiči, nebo jestli jde o děje v příměsovém polovodiči. Ve vlastním polovodiči je "klidový stav" žádný elektron a žádná díra - a to dává také nulový celkový náboj. Vytvořením volných elektronů a děr žádný náboj nevzniká. Pokud bychom ovšem ty elektrony odebraly, zůstanou díry, a bude to mít kladný náboj. Když odebereme díry, zůstanou elektrony a bude to mít záporný náboj.

V příměsovém polovodiči naproti tomu klidový stav znamená existence elektronů (N) nebo děr (P) a nulový náboj.
Pokud v N-polovodiči díry odstraníme, nebude tam nic, ale bude to mít kladný náboj. Obdobně když v P-polovodiči osdstraníme díry, nebude tam nic a bude to mít náboj záporný. To je třeba mít na paměti.

a tak zanikne v oblasti P část kladného náboje a ten záporný pocházející od příměsi se zvýší (kdyby elektrony neanihilovaly, pokračovaly by přes přechod diody, protože ten je pro ně z této strany propustný a tlačilo by je tam napětí - vlastně by obvodem procházel proud). Je to tak?

Je to spíš tak, že tok elektronů se při vstupu do P-polovodiče změní na tok děr opačným směrem. Ale to je jedno. V celé oblasti žádné el. pole není, takže se ty díry bez problémů pohybují (klidně si představ, že se pohybují ty elektrony - směrem k přechodu). Ale pole vzniklé na přechodu působí proti tomu, snaží se je vrátit zpátky. Snažilo by se přes přechod procpat díry - jenže ty jsou taženy proč, do toho zdroje.

Takže shrnuto - přiložením závěrného napětí projde nějaký náboj přes PN přechod (ať už jsou to elektrony nebo díry nebo obojí), vlivem toho se zvýší to el. pole na přechodu a dál už žádný proud neprochází.


To další kdyžtak napíš znovu ve světle nových informací.